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【技术帖】激光焊接原理及应用

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焊接的实质是利用局部加热或加压,或既在加热的同时又加压的办法,使被连接处的金属熔化或进入塑性状态,促成被连接处金属的原子相互渗透并接近到0.3nm-O.5nm的金属晶格距离,完全利用金属原子间的结合力把两个分离的金属板件连接起来。当激光照射到金属表面的功率密度大于时,金属表面温度可在极短的时间内()升高到金属的熔点和沸点以上使其熔化和气化,形成金属液体和金属蒸汽,金属蒸汽能产生足够的压力,克服液态金属的表面张力和重力,从而排开部分液态金属,使激光照射的熔池下凹,形成小孔。激光束在小孔底部继续加热,使金属液化和汽化,所产生的金属蒸汽继续压迫坑底的液态金属并使其排向熔池四周(甚至溢出),从而使小孔进一步加深,这个过程连续进行下去,会在液态金属中形成一个细长的小孔。当激光束在小孔产生的金属蒸汽压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再加深而形成一个稳定深度的小孔,这就是小孔效应。当激光束向前运动时,形成稳定的小孔也向前运动,小孔前方的金属不断熔化和气化,熔化的金属流向小孔后方,并借助液态金属的表面张力和重力进行弥合,凝固形成焊缝。

与其他焊接技术相比,激光焊接的主要优点在于:

(1)激光焊接速度快、深度大、热变形小、无刀具磨损,无切削力作用于工件,后续加工量小。

(2)能在室温或特殊的条件下进行焊接,焊接设备装置简单。例如,激光通过电磁场,光束不会偏移。激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

(3)激光聚焦后,功率密度高,深宽比可达5︰1,最高可达10︰10。

(4)可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好。例如,将铜和钽两种性质截然不同的金属焊接在一起,合格率几乎100%。

(5)可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精密定位,可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中,不仅生产效率大大提高,且热影响区小,焊点无污染,大大提高了焊接质量。

(6)可焊接难以接近的部位,实施非接触式远距离的焊接,具有很大的灵活性。尤其是近几年来,在YAG与光纤激光加工技术中采用了光纤传输技术,使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。

(7)激光束易实现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工及多工位加工,为更精密的焊接提供了条件。

工业发达国家在汽车车身制造中广泛采用机器人激光焊接技术取代传统的焊接工艺,这不仅可以提高焊接质量,改善车身部件的机械力学性能,而且可以节省材料,大大降低车身的制造成本。世界著名的汽车公司纷纷采用机器人激光焊接工艺用于其汽车车身的生产。Volvo(沃尔沃)是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。其后世界各大汽车公司纷纷效仿,如德国大众公司的AudiA6、GolfA4、Passat车型,BMW(宝马)公司的5系列和Opel(欧宝)公司的Vectra车型车顶均采用了激光焊接。Audi(奥迪)汽车公司使用激光焊接生产车身辅助构架,每天可完成2000件。BMW(宝马)、Opel(欧宝)、Volvo(沃尔沃)汽车公司也已建成激光焊接和切割生产线,用于车身构架和覆盖件的制造。意大FIAT(菲亚特)在大多数钢板组件的焊装中采用了激光焊接。NISSAN(日产)、HONDA(本田)和TOYOTA(丰田)汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接工艺。GM(通用)汽车公司采用了车身覆盖件激光焊接生产线,用来生产1995年鲁米那4门车和蒙特卡罗2门车,使钢板的损失降低20%-30%,大大降低成本较高的镀锌钢板消耗。在都市Develle车的制造中,采用激光焊接方法焊接高强钢的B立柱和车顶,省去了原来用于加固的冲压件,降低了工装费用,提高了焊接质量。Soundronic公司生产的车身钢板激光焊机可连续焊接2440mm的焊缝,在一个焊接循环中实现单道或多道焊焊缝,使制造成本降低20%-30%。Chrysler(克莱斯勒)公司1999年大切诺基车的一体式车身侧板、门板及福特公司2001 Explor/Moumaineer车的门内板都采用了激光焊接。一台大功率激光器配上数控加工系统可取代十台电阻焊机械手,且效率是电阻点焊的十倍以上。仅仅激光焊取代电阻点焊一项平均每辆车身自重就可减轻60Kg。激光焊接技术正向高速度、高精度、高柔性、低成本、智能化、集成化的方向发展。

目前,激光焊接、激光钎焊、激光复合焊都已经成功地应用在白车身的焊接中,包括焊接白车身的车门、侧围、前围、后围、地板、顶盖等,针对搭接、对接、角接等接头形式,实现了铝、高强钢、高强度镀锌钢等材料的有效焊接。不仅可以减少材料的消耗,减轻车身的重量,而且大幅提高了车身的强度和刚度。因此国内的汽车生产厂家也希望把激光焊接工艺应用到车身的生产制造中,但由于在技术及装备上的落后,无法独立研发,只能完全依靠进口。因此有必要对激光焊接工艺、装备,及其车身结构的设计改型作深入的研究。

随着全球经济一体化进程的发展, 汽车市场的竞争愈加激烈,汽车的设计与制造技术必将成为世界汽车工业激烈竞争的主战场。而汽车制造中激光焊接、切割技术的应用,必将为车身制造业带来重大变革,为企业带来巨大的效益, 同时大大提高和增强企业的竞争力。国内外先进汽车生产企业的经验表明,激光加工技术的推广将显著提高我国汽车工业产品的质量水平以及在国际中的竞争力。

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